基于灰色关联度理论的生态护坡评价模型及应用

基于灰色关联度理论的生态护坡评价模型及应用

王 椒

（陕西省水工程勘察规划研究院    陕西西安    710003）

摘要：随着经济社会的发展，人们对水环境有了更高的要求，硬性的传统护坡牺牲了环境景观和生态，而新型的生态护坡结构稳定、生态性和美观性好，能更好地顺应人与自然和谐共生的要求。本次基于灰色关联度理论，建立生态护坡评价模型，研究各种型式的生态护坡的在河道治理加固方案中的决策与应用，提高了生态护坡加固方案决策的科学性，为生态护坡加固方案的决策问题提供了新的思路。

关键词：灰色关联度理论；生态护坡评价模型；生态砼护坡

引言：河道治理方式中，传统的河道护坡型式主要有挡土墙式、石笼护坡、混凝土护坡、浆砌石护坡、土工织物护坡、草皮护坡等。挡土墙式是提防工程中最常用的型式，因为它具有抗冲刷，不占地的特点，一般运用在狭窄或有弯道的河道之中；混凝土护坡常用于堤坊、坝、护岸工程中用于防护风浪；草皮护坡则主要用于漫水时间短，流速小，波浪小，且流向顺直的堤岸处。在传统的防洪工程中一般采用硬性的传统护坡，但是牺牲了环境景观和生态，主要表现在：（1）生态系统被破坏。在护岸被硬化后，原有的水生植物不能扎根，河流中的生物和微生物没有其可以生存的环境，一定程度上阻碍了水体与土壤之间的交换。（2）河流直线化和断面型式几何化，自净能力下降。传统的河道断面单一，具有明显的硬化渠化特征，两边硬质的护坡表面无法有效地延滞降雨过程中溶解性重金属等污染物，加大水体污染。（3）景观功能差，与周围环境兼容性较差河岸失去原有亲水和娱乐的功能，无法改善居民的生活环境。[1]

随着经济社会的发展，人们对水环境有了更高的要求，在这种情况下，结构稳定、生态景观的生态型护坡很好地顺应了人与自然和谐共生的要求，本次基于灰色关联度理论，建立生态护坡评价模型，研究生态护坡在河道治理中的推广和应用。

１灰色关联度理论

灰色关联度分析是一种多因素统计分析的方法[2]。可以在一个灰色系统中，衡量某个项目受其他的因素影响的相对强弱。灰色关联分析的基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。曲线越接近，相应序列之间的关联度就越大，反之就越小。基本步骤如下：（1）确定分析序列：母序列(又称参考序列、母指标)，记为Y={y1，y2，…，ym}T；子序列(又称比较序列、子指标)，记为：

（2）计算灰色关联系数：计算子序列中各个指标与母序列的关联系数，记为：，

其中a、b分别为两极最小差和最大差。

（3）计算灰色关联度。计算灰色关联度公式如下：

其中：“ρ”为分辨系数，一般取0.5

2算 例

以某月河防洪为例进行堤防断面型式方案决策分析。本治理段目前基本均为现状土坎，现状土坎高程低于设计洪水位，经常遭受洪水威胁。防洪体系不完善，没有形成完整的防洪安全保护区。河道侵占严重，河道碍洪建筑物多，行洪不畅通。

因地制宜的选择断面形式为本次断面设计的主导思想，现状河道宽度约165～230m，河床两岸覆盖砂砾石、壤土和粘土，河床底部为砂砾石、粉质粘土或基岩出露。现状土质岸坡均为梯形断面，坡比在1:1.5~1:2之间，多年来经过历次洪水，堤防断面不够规整，堤身损毁严重，本次设计中根据工程区地形、地质条件及上下游或河对岸已成工程，综合分析比较，月河段采用复合式生态护坡型式。[3]

堤防坡面防护型式有砌石护坡、混凝土护坡等硬性工程护坡，也有兼顾生态、环保的植被护坡。前者多为高耗能的钢筋、混凝土、石材等硬性材料，工程强度大，功能比较单一；风化或被破坏之后，其整治费用高。后者既能防护边坡，又能保护生态环境，美观、环保；但是强度一般较低，植被易随着水土流失而遭到破坏。还有介于硬性工程与植被护坡之间的生态护坡。生态护坡既能达到防护坡面功能，又具有保持水土流失的功能，利于植被生长，随着植被生长，护坡强度增加，坡面也越来越稳定。

针对以上问题，护坡断面形式的选择按照稳定性、经济性、合理性等综合因素考虑，初步拟定了以下４个备选加固方案：

方案A1：M7.5浆砌石护坡；方案A2：C20混凝土护坡；方案A3：铰接式生态护坡；方案A4：生态混凝土护坡。

方案A1：M7.5浆砌石护坡

浆砌石护坡适宜用于边坡缓于1：1的土质或岩质边坡的坡面，当水流流速较大（4～5m/s），波浪作用较强，可能有漂浮物等冲击作用时，可采用浆砌石防护并结合其它防护加固措施。护坡每长10～15m留伸缩缝，缝宽约2cm，缝内填塞沥青沙板条或泡沫板等材料。在基底土质有变化处，设置沉降缝，可考虑将伸缩缝和沉降缝结合并设置。护坡的中、下部设PVC排水管，以排泄护坡背面的积水及减小渗透压力。其间距为3m。排水管用土工布包头，后0.5m的范围内设置反滤层。本次设计M7.5浆砌石护坡式堤防临水侧坡比为1：2.0，浆砌石护坡厚度为40cm，施工须砌筑两层浆砌石。护脚为M7.5浆砌石梯形结构，顶宽1.0m，高2.0m，内侧垂直，外侧坡比为1:0.3底宽1.6m。每隔10m设置伸缩缝，缝内填充聚乙烯闭孔泡沫板。

方案A2：C20混凝土护坡

同为刚性材料，混凝土护坡性能、防护效果与浆砌石护坡类似。本次设计C20混凝土护坡式堤防临水侧坡比为1：2.0，C20混凝土护坡层厚度30cm，其下铺设土工布反滤。护脚为M7.5浆砌石梯形结构，顶宽1.0m，高2.0m，内侧垂直，外侧坡比为1:0.3，底宽1.6m。每隔10m设置伸缩缝，缝内填充聚乙烯闭孔泡沫板。

方案A3：铰接式生态护坡

本次拟定铰接式生态护坡，护坡上部分为铰接式生态护坡，下部分为M7.5浆砌石护坡，临水侧坡比为1：2.0。铰接式生态护坡采用50×50×12cm（长×宽×厚）预制块，预制块用钢丝穿起来保持整体的稳定性，顶部设置40×50cm（宽×厚）C20砼压顶，底部设置40×50cm（宽×厚）C20砼压脚。预制块底部设置土工反滤布。预制块孔内填土，表面植草。下部M7.5浆砌石护坡厚度为60cm，护坡底部设置M7.5浆砌石护脚，护脚顶宽1.0m，高2.0m，内侧垂直，外侧坡比为1：0.3，底宽1.6m。

方案A4：生态混凝土护坡

生态砼为近年推广使用的新型砌护材料，又称环保型绿化砼，能够适应植物生长、可进行植被作业的砼，具有砌护功能、通过利用生态砼孔隙植草改善自然环境功能。生态混凝土护坡，由上部护坡和下部护脚组成，临水侧坡比为1:2，背水侧坡比除桩号YS0+100.0～YS0+567.7之间为1:2，其余段均为1:1.5。上部护坡由上到下依次采用生态混凝土框格（设置4个框格）和40cm厚M7.5浆砌石护坡相结合，下部护脚为M7.5浆砌石挡墙。堤防由设计堤顶线为基准线，向下排列4个框格，框格以下为40cm厚M7.5浆砌石护坡、浆砌石挡墙护脚。生态混凝土框格护坡由砼框格网和草皮两部分组成。砼框格截面尺寸为0.15m×0.30m，现浇C20，框格间距为3.15m×2.15m，框格净宽3.0m×2.0m。草皮种植在框格内，分上、下两层，上层是15cm厚生态砼护坡（表面植草），下层是400g/m2营养型无纺布。下部浆砌石护坡厚度为40cm。浆砌石护坡埋设Φ75PVC排水管，第一排位于现状滩面以上0.5m处，第二排位于第一排以上2m；呈2×2m梅花形布置，排水管背水侧应伸出砌石外200mm，排水管进口处设置300g/m²土工布和反滤层。下部护脚M7.5浆砌石挡墙为M7.5浆砌石梯形结构，顶高程为“设计枯水位+0.5m”，顶宽1.0m，挡墙基础底高程为深泓点以下2.0m，临水侧坡比为1:0.45，背水侧直立。

以上4种方案的主要单位工程量如下表：

表1       4种护坡型式单位工程量及投资对比表

进行方案决策时考虑5项指标：（１）成本Ｃ１，（２）岸坡耐久度Ｃ２，（３）岸坡抗冲度Ｃ３，（４）植被覆盖度Ｃ４，（5）景观美学功能Ｃ5。

各备选方案的各项指标值通过直接计算或专家打分获得。决策指标Ｃ１通过投资估算求得。其他指标属性值通过专家打分方式获得。专家群由５位专家组成，均为水利工程专业副教授以上级别人员，通过综合专家的群体意见对拟定的４个备选方案进行择优。首先生成决策矩阵如下表。

表2            备选方案的决策矩阵表

2.1计算步骤

步骤1：矩阵表规范化，去量纲化，求理想最优方案（既母序列）。由下表可知，理想最优方案=（1.08,1.05,1.06,1.29,1.17）。

表3               备选方案的规范化决策矩阵表

步骤2：求各可行方案对理想最优方案的灰色关联系数，其中分辨系数ρ取0.5，由下表可知，最最小值=0，最最大值=0.541。

表4    各可行方案对理想最优方案的灰色关联系数表

步骤3：使用灰色关联度公式计算灰色关联度，如下表所示。

表5      各可行方案对理想最优方案的灰色关联度表

经计算各可行方案的综合加权灰色关联度为A1＝0.74，A2＝0.67，A3＝0.711，A4＝0.938，并按照关联度从大到小排序为：A4>A1>A3>A2。故方案A4为理想的加固方案，这与该工程最终采用的方案一致。

2.2决策结果的分析

根据排序和加权规范化决策矩阵表情况可知：生态混凝土护坡措施的综合护坡效果最优，植被覆盖度、景观美学功能最好；C20混凝土护坡和M7.5浆砌石护坡措施岸坡耐久度和岸坡抗冲度最好，但植被覆盖度差，景观效果一般；铰接式生态护坡措施岸坡耐久度和岸坡抗冲度一般，在长期大流速水流冲刷的作用下，很容易丧失其结构的稳定性，同时要经常维护管理，否则景观效果会明显降低。综合考虑河岸的实际情况，如流速、土质等，要与周围环境协调，也要考虑相应的建造维护成本等，生态混凝土护坡措施较为适合应用到该工程防护治理中。同时，结合实际，生态混凝土护坡已经应用到了月河防护中，从多年运行来看，效果良好，这也说明本研究提出的方法是合理可行的。

3结论

基于灰色关联度分析的生态护坡加固方案决策方法充分考虑了生态护坡加固方案决策的复杂性以及决策专家思维的模糊性问题[4]，摒弃传统的确定化决策信息描述方法，建立了基于灰色综合关联度决策优选方法，通过算例验证了灰色关联度决策方法应用于工程方案决策中的合理性，同时也提高了方案决策的科学性，为生态护坡加固方案的决策问题提供了新的思路。

参考文献：

[1]向毅.基于ＡＨＰ－ＴＯＰＳＩＳ的生态护岸评价模型及应用[D].长沙.长沙理工大学水利工程学院2020.5

[2]蒋欣,常留红,周磊,等.多因素综合影响下生态护岸的评价模型与应用[J].中国水运(下半月),2020,20(11):61-63+69.

[3]凌健.中小河流生态治理河道断面优化[D].南昌.南昌工程学院水利水电系.2019.12

[4]白月峰.基于模糊综合评判法的河道治理工程质量评价研究[D].大连.大连理工大学水利工程学院.2019.9

作者简介：王椒（1989-），陕西汉中人；硕士研究生；工程师（水利工程）；主要从事水利工程规划与设计。